硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車工程教學(xué)中的應(yīng)用

鄭竹安+徐進(jìn)+倪曉華+熊新

摘 要：硬件在環(huán)仿真技術(shù)不僅提出新觀點(diǎn)而且提供新的思想進(jìn)課堂。此技術(shù)大大有助于訓(xùn)練學(xué)生建構(gòu)方法，研究，測試，尋求解決方案，有科研人員的頭腦并深入思考問題。然而，現(xiàn)階段傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在不足，故硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)開始逐漸替代傳統(tǒng)的教學(xué)模式。本文利用硬件在環(huán)實(shí)例進(jìn)行講解，從而體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)；汽車工程；教學(xué)

目前虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用已成為趨勢，特別是硬件在環(huán)仿真的應(yīng)用可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)硬件條件的不足，尤其在高等教育大眾化背景下，到實(shí)際工廠企業(yè)實(shí)踐不足的難題，也是對(duì)卓越工程師培養(yǎng)實(shí)踐條件的有力支撐。汽車學(xué)院將結(jié)合車輛工程、汽車服務(wù)工程、能源動(dòng)力工程的特點(diǎn)進(jìn)行汽車及其零部件虛擬設(shè)計(jì)、加工、裝配、維修、營銷服務(wù)、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車智能控制等進(jìn)行硬件在環(huán)仿真、實(shí)踐內(nèi)容、訓(xùn)練方法等研究，以提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

一、 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)簡介

硬件在環(huán)（HIL，hardware-in-the-loop）仿真，又稱半實(shí)物仿真，是將需要仿真的部分系統(tǒng)硬件直接放到仿真回路中的仿真系統(tǒng)，它不僅彌補(bǔ)了純數(shù)字仿真中的許多缺陷，提高了整個(gè)模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個(gè)優(yōu)勢在于它實(shí)現(xiàn)了仿真模型和實(shí)際系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，使仿真結(jié)果的驗(yàn)證過程非常直觀，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。仿真時(shí)，電腦與實(shí)際硬件通過各種信息通道相連，電腦與實(shí)際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結(jié)果在電腦中進(jìn)行分析，從而判斷硬件的運(yùn)行情況。

二、 應(yīng)用案例

本文以汽車制動(dòng)系統(tǒng)為例，來講解硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車工程教學(xué)中的應(yīng)用。

研究制動(dòng)系統(tǒng)之前，必須要了解掌握汽車的理論知識(shí)。學(xué)生要通過學(xué)得的知識(shí)來設(shè)定制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略。如果僅限于教師的傳統(tǒng)課題講授，學(xué)生難以完全掌握其中的要領(lǐng)，教學(xué)效果不佳。

此系統(tǒng)我們選擇制動(dòng)系統(tǒng)液壓總成（HCU，High Care Unit）為實(shí)物，一般由增壓閥（常開閥）、減壓閥（常閉閥）、回液泵、儲(chǔ)能器組成。圖1為結(jié)構(gòu)方案圖，將HCU與虛擬的數(shù)學(xué)仿真模型、快速原型系統(tǒng)（MICROAUTOBOX）進(jìn)行連接通訊。而其中的數(shù)學(xué)模型是建立在汽車?yán)碚摶A(chǔ)之上，必須對(duì)汽車的數(shù)學(xué)模型有所了解。

在探索性問題提出環(huán)節(jié)中，可以選用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，教師安排特定的任務(wù)，讓學(xué)生嘗試查找文獻(xiàn)資料，完成特定的任務(wù)。這里需要參與學(xué)生自行設(shè)計(jì)一套HCU的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示。這樣可以確保每一位學(xué)生都有參與，而且收獲頗多。

將以上所有的硬件、軟件等都連接通訊之后，即可以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，根據(jù)每個(gè)人的設(shè)定及編程都得出一些曲線數(shù)據(jù)，如圖3所示。最后，根據(jù)每個(gè)同學(xué)的仿真結(jié)果評(píng)定分?jǐn)?shù)，并計(jì)入期末成績，這種教學(xué)模式可大大提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果。

三、 結(jié)束語

硬件在環(huán)仿真教學(xué)是建立在掌握高等教育專業(yè)理論知識(shí)基礎(chǔ)之上，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，具有以下特點(diǎn)：

硬件在環(huán)仿真的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)車實(shí)驗(yàn)更好；

利用硬件在環(huán)仿真的實(shí)驗(yàn)相對(duì)于實(shí)車實(shí)驗(yàn)基本不浪費(fèi)時(shí)間或所花時(shí)間更短；

利用硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)的同學(xué)更專注于實(shí)驗(yàn)過程，而不是過多地關(guān)注實(shí)驗(yàn)儀器或者工具，所以他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近理論數(shù)據(jù)；

并不是所有的學(xué)生都可以進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，諸如實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具不足，課時(shí)有限，安全問題等阻礙了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但硬件在環(huán)仿真只需要部分硬件、軟件和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，學(xué)生就可以參與進(jìn)來；

使用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的同學(xué)認(rèn)為，能讓他們重復(fù)實(shí)驗(yàn)不太理解的內(nèi)容，而且成本很低，基本不浪費(fèi)材料，操作更安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]Maryam Fooladvand，Mohammad Hossein Yarmohammadian.A comparative study between virtual and traditional approaches in higher education in Iran[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2011（28）：646-650.

[2]Zeynep Tatli，Alipasa Ayas.Virtual laboratory applications in chemistry education[J].Procedia Social and Behavioral Sciences.2010（9）：938-942.

[3]鄭竹安，呂紅明，朱龍英，徐進(jìn)，熊新.本科生導(dǎo)師制在應(yīng)用型高校車輛工程專業(yè)初探[J].考試周刊，2016（76）：163+27.

[4]鄭竹安.基于電動(dòng)輪汽車的制動(dòng)踏板行程模擬器及制動(dòng)平順性研究[D].吉林大學(xué)，2013.

作者簡介：

鄭竹安，徐進(jìn)，倪曉華，熊新，江蘇省鹽城市，鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院。endprint